全固态废弃物基非烧结陶瓷颗粒的制备：采用煤粉灰和脱氯城市固体废弃物焚烧灰作为原料——性能与水化机理研究

《Journal of Environmental Management》：All-solid-waste-based non-sintered ceramsite prepared from coal fly ash and dechlorinated municipal solid waste incineration fly ash: performance and hydration mechanisms

利用煤灰、矿渣粉、石膏和脱氯飞灰制备非烧结陶瓷材料，优化配比为4:9:2:1时，7天抗压强度达5.94MPa，水吸收率3.12%，重金属浸出浓度低于国标限值，碳排量67.1kg CO?/吨。通过XRD、FTIR、SEM-EDS等分析揭示C-A-S-H凝胶和AFt矿物形成机制，证实协同固废利用可提升材料性能与重金属稳定化效果。

　　本研究聚焦于城市固体废弃物的无害化处理与资源化利用，特别是针对脱氯市政固体废弃物焚烧飞灰（DFA）这一具有高重金属浸出毒性的材料。在当前中国，市政固体废弃物的年产量已达到2.54亿吨，其中通过焚烧处理的废弃物占比高达82.3%，年产生约627万吨的焚烧飞灰（FA）。FA中不仅含有较高的氯离子浓度（约20%），还包含多种重金属和有毒有机物（如二噁英），因此被归类为危险废物，必须进行无害化处理。然而，传统处理方式如卫生填埋和资源化利用都存在一定的局限性。卫生填埋虽能有效处置飞灰，但需要添加水泥或专用化学剂以形成固化块，不仅消耗大量资源，还可能造成二次污染。而资源化利用虽然能够减少对环境的影响，但飞灰中的高浓度氯离子会显著影响其后续作为建筑材料的性能，尤其是在水泥制品中，氯离子可能与水泥中的氢氧化钙反应生成钙氧氯化物，从而导致材料强度下降和耐久性降低。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种全新的非烧结陶瓷轻骨料（NSC）制备方法，利用煤飞灰（CFA）、粒化高炉矿渣（GGBFS）、脱硫石膏（FGDG）和脱氯飞灰（DFA）这四种固体废弃物作为原料，无需任何化学添加剂，实现了对DFA的高效无害化处理与资源化利用。这一方法不仅能够降低材料的碳排放强度，还显著提升了NSC的物理性能，如7天抗压强度达到5.94 MPa，表观密度为1911 kg/m3，1小时吸水率为3.12%，软化系数为68.47%。这些数据表明，NSC具备良好的结构稳定性和环境适应性，能够在不依赖传统水泥或化学添加剂的情况下，实现高强度和低能耗的材料制备。

在材料制备过程中，研究人员通过单因素实验分析了每种原料对NSC性能的影响。实验结果显示，CFA在NSC中起到了关键作用，其丰富的硅铝成分能够促进早期强度结构的形成，但过量的CFA会导致材料的后期强度下降。这主要是由于CFA中含有较多的二氧化硅和氧化铝，这些成分在水化过程中容易形成稳定的C-A-H和C-(A)-S-H凝胶，同时也会生成钙矾石（AFt）和单硫铝酸盐（AFm）等结晶相。这些相的形成不仅有助于提升材料的强度，还能够有效包裹和固定重金属，降低其在环境中的迁移风险。此外，FGDG中的硫酸根离子能够刺激硅铝酸盐材料的溶解-再聚合作用，促进钙矾石的生成，从而提高材料的密实度和稳定性。同时，FGDG还能与GGBFS中的活性成分协同作用，形成更加复杂的水化产物，进一步增强NSC的结构性能。

DFA虽然具有一定的活性，但由于其氯离子含量较高，单独使用时难以形成稳定的结构。然而，当DFA与其他三种固体废弃物混合后，其内部的铝硅酸盐成分能够与CFA中的活性组分发生反应，生成AH?等产物，从而改善材料的微观结构。这种协同作用不仅提升了NSC的强度，还显著增强了其对重金属的固定能力。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重-差示扫描量热分析（TG-DSC）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）等多种分析手段，研究人员深入探讨了NSC的水化机制。结果表明，CFA、GGBFS、FGDG和DFA的共同作用能够形成一系列稳定的水化产物，如C-A-H凝胶、C-(A)-S-H凝胶、钙矾石和单硫铝酸盐等，这些产物共同构成了NSC的微观结构基础，使其具备优异的物理和化学性能。

在实际应用中，NSC展现出良好的环境友好性。其碳排放强度仅为67.1 kg CO?/吨，远低于传统水泥基材料的碳排放水平，为实现低碳建筑提供了新的思路。同时，NSC的制备过程无需高温烧结，大大减少了能源消耗，符合当前可持续发展的理念。此外，NSC还能够有效解决传统飞灰处理中遇到的难题，如高氯离子含量导致的材料性能下降和重金属浸出风险。通过将飞灰与其他固体废弃物结合，NSC不仅实现了对飞灰的无害化处理，还推动了多种固体废弃物的协同资源利用，为循环经济的发展提供了新的路径。

实验材料的选择和来源也体现了研究的实用性。CFA来自河北省石家庄市的一家热电厂，GGBFS来自河南济源钢铁厂，FGDG则来自山东省潍坊市华能电厂的湿法脱硫工艺，而DFA则来源于浙江省杭州市的一家市政固体废弃物焚烧厂。这些原料均来自实际生产过程中产生的废弃物，不仅保证了研究的可行性，也凸显了其在实际工程中的应用潜力。通过对这些材料的配比优化，研究团队最终确定了最佳的NSC配方（CFA:GGBFS:FGDG:DFA = 4:9:2:1），在保证材料性能的同时，最大限度地减少了对环境的影响。

NSC的制备过程是一个复杂的物理化学反应过程，涉及多种固体废弃物之间的相互作用。首先，所有原料被研磨成细粉，以确保其充分混合和反应。随后，通过冷凝造粒技术将混合物成型，这一过程无需高温烧结，因此大大降低了能耗。在水化过程中，CFA中的活性氧化钙与GGBFS和FGDG中的硅铝成分发生反应，生成多种水化产物。这些产物不仅增强了材料的结构强度，还通过物理包裹和化学固定的方式，有效降低了重金属的浸出风险。此外，DFA中的铝硅酸盐成分能够与CFA中的活性组分进一步反应，生成AH?等物质，进一步改善材料的性能。

研究团队还通过实验分析了不同原料对NSC性能的具体影响。例如，CFA的增加会提升材料的早期强度，但过量使用会导致后期强度下降，这表明在配方设计中需要合理控制CFA的比例。而FGDG的加入则能够显著提升材料的密实度和稳定性，通过促进钙矾石的形成，降低材料的孔隙率，从而提高其抗压强度和耐久性。同时，FGDG中的硫酸根离子还能够激活GGBFS，使其在水化过程中释放更多的活性组分，形成更加丰富的水化产物。这种协同效应使得NSC在性能上优于单一原料制备的材料，为其在实际工程中的应用奠定了基础。

在重金属固定方面，NSC展现出显著的优势。实验结果显示，NSC中锌、铬、铅、铜和镉等重金属的浸出浓度均低于《综合污水排放标准》（GB8978-1996）的限值，表明其对重金属的固定能力较强。这一结果主要归功于NSC中形成的C-(A)-S-H凝胶和钙矾石等水化产物，它们能够通过离子交换或晶格包裹的方式，将重金属牢牢固定在材料内部，防止其进入环境。此外，DFA中的铝硅酸盐成分也能够与重金属发生反应，形成稳定的矿物相，进一步增强材料的重金属固定能力。

本研究的创新点在于首次提出并成功制备了一种基于全固体废弃物的非烧结陶瓷轻骨料。与传统的烧结工艺相比，这种非烧结方法不仅减少了能源消耗，还降低了碳排放，符合当前绿色建筑和可持续发展的趋势。同时，该方法通过合理搭配多种固体废弃物，充分发挥了它们各自的特性，实现了材料性能的优化和资源的高效利用。这种协同处置模式为解决固体废弃物处理难题提供了新的思路，也为建筑行业提供了更加环保和可持续的材料选择。

此外，NSC的制备过程还具有较高的经济性。由于无需添加额外的化学添加剂，如水泥或碱性激活剂，因此可以大幅降低生产成本。同时，NSC的高抗压强度和低吸水率也使其在实际应用中更具竞争力，能够满足建筑行业对材料性能的严格要求。在当前全球倡导低碳环保的背景下，NSC的出现为建筑材料行业提供了一种全新的解决方案，既能够有效处理危险废弃物，又能够降低建筑过程中的碳排放，具有重要的社会和经济价值。

综上所述，本研究通过系统实验和深入分析，成功开发了一种基于全固体废弃物的非烧结陶瓷轻骨料，其在物理性能、环境友好性和资源利用率方面均表现出色。该材料的制备方法不仅减少了对传统水泥的依赖，还有效解决了飞灰处理中的重金属污染问题，为固体废弃物的协同资源利用提供了新的方向。未来，随着对NSC性能的进一步研究和优化，其有望在建筑、道路工程等更多领域得到广泛应用，推动绿色建筑和可持续发展的进程。